9.4.5. Технологические свойства таблетируемых материалов. Фракционный (гранулометрический) состав.
Фракционный состав, или распределение частиц материала по крупности, оказывает определенное влияние на текучесть порошкообразных материалов, а следовательно,*на ритмическую работу таблеточных машин, стабильность массы получаемых таблеток, точность дозировки лекарственного вещества, а также на качественные характеристики таблеток (внешний вид, распадаемость, прочность и др.). Значение фракционного состава помогает технологу подобрать оптимальные условия таблетирования.
Гранулированные порошки обычно имеют комковатый вид с относительно равноосной формой. Графическое распределение частиц по размерам является асимметричным со смещением в область более крупных частиц (2,5-1,0 мм), средний размер гранул составляет около 600-650 мкм. Гранулированные препараты, как правило, содержат и большой процент самых мелких частиц (менее 50 мкм). Объясняется это технологией гранулирования влажного материала, которая предусматривает повторное смешивание и опудривание. При смешивании и опудривании в смесь не только вносится большое количество мелких частиц, но она к тому же еще и измельчается.
Негранулированные порошки характеризуются полифракционным составом и сложной формой. Распределение частиц по размерам подчиняется закону нормального распределения: количество больших и самых мелких частиц мало, а основная их масса имеет приблизительно одинаковые размеры. Средний размер частиц негранулированных порошков составляет около 30-120 мкм.
Рис. 9.13. Устройство прибора для определения максимальной насыпной плотности порошков.
Объяснение в тексте.
Наиболее простым и распространенным методом определения фракционного состава является анализ при помощи сит, при которой исследуемый материал разделяют на фракции просеиванием через стандартный набор сит в течение 5 мин, а затем находят массу каждой фракции и ее процентное содержание.
Насыпная масса (плотность) - это масса единицы объема свободно насыпанного материала. Она зависит от гранулометрического состава, влажности, плотности укладки частиц в слое, их средней плотности и др. Определяют насыпную массу путем свободной засыпки порошка в определенный объем (например, мерный стакан) с последующим взвешиванием с точностью до 0,01 г.
Лекарственные порошки, как правило, легкие и сыпучие, погрешность измерения их насыпной массы выше, чем у более тяжелых сыпучих материалов. Поэтому представляет интерес измерение не минимальной, а максимальной насыпной массы. Ее определяют на приборе модели 545Р-АК-3, выпускаемом МНПО «Минмедбиоспецтехоборудование» (рис. 9.13). Взвешивают 5 г исследуемого порошка с точностью до 1 мг и засыпают его в измерительный цилиндр (1) вместимостью 25 мл. Устанавливают амплитуду колебаний цилиндра посредством регулировочного винта (4) и после отметки на шкале (2) фиксируют положение контргайкой (5). Далее включают прибор тумблером (3) и следят за отметкой уровня порошка в цилиндре. После того как уровень порошка устанавливается постоянным (обычно через 5-10 мин), прибор выключают.
Максимальную насыпную плотность рассчитывают по формуле:
где ρп- объемная плотность, кг/м3; V-объем порошка в цилиндре после утряски, м3; m - масса сыпучего материала, кг.
Насыпная масса легко и точно определяется. Считают, что она влияет на текучесть и может ее характеризовать.
Текучесть (сыпучесть) является комплексным параметром, характеризующим способность материала высыпаться из емкости под силой собственной тяжести, образуя непрерывный устойчивый поток. На текучесть неуплотненных порошков влияют многочисленные факторы, характеризующие сыпучий материал: размер, форма и насыпная плотность частиц, коэффициенты межчастичного и внешнего трения, влажность. Перечисленные факторы связаны противоречивой зависимостью. Например, при увеличении размера частиц текучесть возрастает, но при одном и том же гранулометрическом составе она может быть неодинакова из-за разной величины удельной поверхности. Уменьшение насыпной плотности снижает текучесть, но при равной насыпной плотности вещества будут иметь разную текучесть, так как она зависит от формы частиц и коэффициентов межчастичного трения. Поэтому текучесть порошков лучше всего, определять прямым экспериментом, при котором определенное значение имеет метод оценки этого параметра, что подтверждается исследованиями ряда ученых.
Чаще всего текучесть определяют по скорости высыпания определенного количества материала (100-30г) из металлической или стеклянной воронки со строго заданными геометрическими параметрами и по углу естественного откоса.
Для определения текучести используется коническая воронка с углом конуса 60° и укороченным стеблем. Конец стебля воронки срезается под прямым углом на расстоянии 3 мм от вершины конуса. Диаметр выпускного отверстия изменяется от 1 до 25 мм.
Определение сравнительной текучести сыпучих материалов но скорости истечения из воронки требует определенного соотношения между диаметром стебля воронки и размерами частиц. Текучесть может быть точно определена при минимальном влиянии зависания порошка в тех случаях, когда отношение диаметра стебля воронки к максимальному размеру частиц достаточно велико (более 10-15).
Текучесть характеризуют коэффициентом текучести /С, который определяют по формуле:
где t - среднее время истечения порошка, с; r - радиус выпускного отверстия воронки, мм; m - масса навески сыпучего материала, г; n - показатель степени, равный 2,58.
Текучесть выражают как среднюю скорость истечения сыпучего материала и подсчитывают по формулам, см/с:
где v - объем навески, см3; t - время истечения всей навески, c; d - диаметр стебля воронки, см; т - масса навески, г; γ - насыпная масса, г/см3.
Для сравнительных определений текучести в одной серии экспериментов обычно пользуются измерением времени истечения навески материала или определяют массу материала, прошедшего в единицу времени.
Для определения текучести сыпучих материалов созданы стандартные приборы, например, прибор модели GDT фирмы «Эрвека» (ФРГ) или прибор модели В11-12А (рис. 9.14) МНПО «Минмедбиоспецтех-оборудование».
При высыпании сыпучего материала из воронки на горизонтальную плоскость он рассыпается по плоскости, принимая вид конусообразной горки. Угол между образующей и основанием этой горки и называется углом естественного откоса.
Рис. 9.14. Устройство прибора модели ВП-12А.
а - измерение сыпучести; б-измерение угла естественного откоса;
1 - воронка; 2 - крышка; 3 - тумблер; 4 - заслонка; 5 - электромагнит; 6- якорь; 7 - амортизатор;
8 - тяга; 9 - шарнир; 10 - приемный стакан; 11 -горка; 12- кольцо; 13-угломер.
Величина угла естественного откоса, выраженная в градусах, может быть определена при помощи угло-метра, вычислена по высоте горки и радиусу ее основания или измерена другими способами.
Угол естественного откоса изменяется в широких пределах от 25-35°С для хорошо сыпучих до 60-70°С для менее сыпучих материалов. Отсюда чем меньше угол откоса, тем выше сыпучесть. Таким образом, угол естественного откоса является показателем, определяющим потенциальную текучесть сыпучего материала.
Влагосодержание - содержание влаги в материале. Оно оказывает большое влияние на текучесть и прессуемость порошков и гракулятов. Повышенная влажность прессуемого материала снижает его текучесть за счет образования массивных адсорбционных слоев на частицах, повышает их адгезионные свойства как друг к другу, так и к соприкасающимся с ними поверхностям. Подсушивание материала в этом случае восстанавливает его текучесть. При недостаточном влагосодержании снижается сила сцепления между частицами прессуемого материала и уменьшается прочность таблеток. Поэтому таблетируемый материал должен иметь оптимальную влажность. Для большинства материалов влажность составляет 2 -5%, однако для некоторых материалов она колеблется в более широких пределах, например для амидопирина от 0,5 до 1,5%; натрия салицилата от 8 до 10%; корня ревеня от 18 до 22%.
Влагосодержание таблетируемого материала можно определить высушиванием исследуемого образца (точная навеска от 1,0 до 3,0 г) в сушильном шкафу (при температуре 100-105°) до постоянной массы. Метод достаточно точен, однако в условиях заводского производства он неудобен вследствие своей длительности.
Для определения остаточной влажности в порошках и гранулятах наиболее приемлем метод высушивания инфракрасными лучами. Ряд зарубежных фирм («Кетт» и др.) выпускают инфракрасные влагомеры, которые в течение нескольких минут с достаточной точностью позволяют определить влажность материала.
В качестве источника инфракрасных лучей применена (ХНИХФИ, Ленинградский химико-фармацевтический институт) настольная лампа ИКЛ мощностью 550-600 Вт, помешенная в центре рефлектора. С помощью шарниров лампа устанавливается на расстоянии 5 см от стола. После включения лампы температура возле облучаемого объекта достигает 110- 115°С. Гранулят (точная навеска 2,0 г) помещают в алюминиевый бюкс высотой 1 см, разравнивают его легким постукиванием о стенки бюкса и устанавливают под рефлектор. Нагревание продолжают в течение 2 мин, после чего бюкс помешают в эксикатор на 2 мин и взвешивают.
Расчет влажности производят по формуле:
где X - содержание влаги в материале,%; (a-b) - потеря в массе, г; с - навеска, г.
Прессуемость порошков (гранулята) - это способность его частиц к взаимному притяжению и сцеплению под давлением. От степени проявления этой способности зависит прочность и устойчивость таблетки после снятия давления. Лекарственные вещества, входящие в состав таблеток, обладают различной индивидуальной прессуемостью. Знание этой величины позволяет прогнозировать типоразмеры таблеток (подбор соответствующих пресс-форм) и правильно выбирать величину давления прессования для их получения. Прессуемость может быть оценена по прочности таблеток на сжатие и выражена в абсолютных величинах в мПа или через коэффициент прессуемости, который выражается отношением массы таблетки к ее высоте. Для определения коэффициента прессуемости навеску материала, которая составляет 0,3 или 0,5 г, прессуют в матрице 9 или 11 мм соответственно на гидравлическом прессе при давлении 120 мПа. Полученную таблетку взвешивают на торсионных весах, высоту измеряют микрометром и коэффициент прессуемости вычисляют по формуле:
Kпр = m/h
где т - масса таблетки, г; h - высота таблетки, см.